Пояснения к работе калькулятора МЗЛФ 2.3

Мелкозаглублённые ленточные фундаменты – «за» или «против»?

Тема мало- (мелко-) заглублённых ленточных фундаментов и незаглублённых ленточных фундаментов (далее по тексту – МЗЛФ и НЗЛФ) широко обсуждалась и обсуждается в специальной литературе и в интернет-пространстве. У данного типа фундаментов есть как свои сторонники, так и противники, но однозначно можно сказать следующее:

• Данное решение проблемы устройства фундамента для малоэтажных зданий неоднократно оценивалось экспертами высокого уровня из разных профильных институтов, результаты этих оценок говорят о возможности использования МЗЛФ и НЗЛФ в строительной практике;
• Имеются серьёзные теоретические обоснования и большая успешная практика строительства зданий 2-ой и 3-ей категорий на данных фундаментах;
• При этом, имеющийся некоторый негативный опыт использования МЗЛФ и НЗЛФ, при экспертном изучении показывает, что основной причиной таких негативных ситуаций являются ошибки при проектировании и строительстве фундаментов;
• Использование МЗЛФ и НЗЛФ позволяет на 30-80% снизить затраты на возведение фундаментов;
• Использование МЗЛФ и НЗЛФ позволяет значительно упростить схему расчёта фундаментов, например, за счёт исключения из расчёта влияния касательных сил морозного пучения, которые в случае использования данного типа фундамента относительно невелики или равны нулю.

Соглашаться или нет на использование данного типа фундамента в конкретном случае – дело личных предпочтений и предубеждений Заказчика, а также его способности и готовности провести качественные работы по изысканиям и проектированию.

Для чего был создан этот Калькулятор ?

Данный калькулятор – попытка помочь такому Заказчику в принятии решений, связанных со строительством, сделать процесс изысканий, выбора и проектирования более простым и понятным.

Данная программа – всего лишь расчётный инструмент, который обрабатывает по определённой методике данные. От качества этих данных, прежде всего по грунтам оснований, на 90% зависит качество итоговых результатов. И надо чётко отдавать себе отчёт, что получить достоверные данные без изысканий достаточно сложно, поэтому авторы данного калькулятора просят взвешенно подходить к использованию этого инструмента. Если вы строите баню за 100-200 т.руб., то имеет смысл воспользоваться этим калькулятором для получения схемы фундамента и его постройки, поскольку цена ошибки относительно невелика, а найти того, кто сделает полноценное изыскание и расчёт «за копейки» - нереально. Но если речь идёт о строительстве дома за 1-3 млн. руб., то разумнее заказать все расчёты специалистам, а данный калькулятор использовать только для расширения собственного кругозора и ориентирования в стоимости.

Все расчёты калькулятор производит для климатического региона Владимирской области.

Общие принципы расчёта фундаментов МЗЛФ и НЗЛФ.

В качестве основы для создания алгоритма вычисления калькулятора выбраны Ведомственные строительные нормы ВСН 29-85 «Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах». Разработаны: Центральным научно-исследовательским, экспериментальным и проектным институтом по сельскому строительству (ЦНИИЭПсельстроем) Министерства сельского строительства СССР в 1985г. Эти нормы разрабатывались специально в помощь при проектировании небольших домов для сельской местности, поэтому идеально подходят под цели калькулятора.

Кроме самих ВСН для ознакомления с принципами проектирования и работы МЗЛФ и НЗЛФ, рекомендуется прочитать книгу одного из авторов ВСН 29-85 Сажина В.С. «Не зарывайте фундаменты вглубь». Книга написана простым и понятным языком и ориентирована на неподготовленного читателя. Хорошим логическим продолжением ВСН стали территориальные строительные нормы ТСН 50-303-99, разработанные специально для Московской области.

Основной принцип конструирования фундамента здания по ВСН 29-85 заключается в том, что ленточные фундаменты всех стен здания объединяются в единую систему и образуют достаточно жесткую горизонтальную раму, перераспределяющую неравномерные деформации основания. При этом, можно рассчитать жёсткость, как отдельно рамы, так и её жесткость совместно с надфундаментной частью здания. Использование  и учёт в расчётах понятий жёсткость-гибкость позволяет значительно уменьшить затраты на возведение фундаментов для небольших зданий.

Производится проверка несущего слоя основания фундамента – расчётное сопротивление грунта основания с учётом неблагоприятных факторов (обводнение) должно быть выше нагрузки на него. Расчёт воздействия касательных сил морозного пучения не производится из-за малой глубины заложения фундамента и соответственно малой площади соприкосновения боковой поверхности с грунтом.

Обращаем внимание, что данный калькулятор также не рассчитывает устойчивость фундаменты на крутопадающих склонах и откосах, где возникает угроза бокового смещения (сдвига) фундамента. СНиПы разрешают в данных условиях вообще не проводить таких расчётов, если конструктивно исключена возможность бокового смещения. Заметим только, что для малозаглублённых фундаментов опасность сдвига (соскальзывания) довольно велика из-за практически полностью отсутствующего защемления в грунте.

Также рассчитываются деформации морозного пучения грунта и их влияние на фундамент, выражающееся в его прогибе (выгибе). В результате таких деформаций возникают нагрузки, приводящие, например, к возникновению трещин в кирпичной кладке здания и самом фундаменте. В этом случае рассчитываются предельно допустимые для конструкции деформации.

Кроме этого, осуществляется расчёт прочности железобетонной рамы-фундамента под действием сил морозного пучения.

Таким образом, мы получаем проверку фундамента по 3-ём условиям:

1. Расчётное сопротивление несущего слоя грунта должна быть выше нагрузки Ro>N;
2. Деформация морозного пучения грунта должна быть меньше предельно допустимой для данного типа фундамента и надфундаментных конструкций;
3. Напряжения, возникающие в конструкциях фундамента должны быть меньше напряжений, при которых происходят необратимые процессы потери упругости в арматуре фундамента (образующиеся при этом трещины находятся в допустимых пределах)

Обращаем внимание, что калькулятор ориентирован на многоитерационный подход к определению оптимальной конструкции фундамента с точки зрения таких критериев, как надёжность и цена.

Расчёт несущей способности основания фундамента.

На способность грунтов «держать» фундамент оказывают влияние целый ряд факторов, но основными являются следующие:

• Тип грунта основания;
• Его плотность;
• Сезонная влажность грунта основания;
• Уровень подземных вод

Для Владимирской области наиболее типичными являются следующие типы грунтов: пески; супеси; суглинки; глины. Из них самыми часто встречающимися – супеси и суглинки.

Для определения типа грунта в домашних условиях можно порекомендовать такой простой тест: небольшую порцию грунта обильно смачивают водой, затем из полученной массы между ладоней рук скатывают жгут и загибают в кольцо. Из песка жгут скатать не получится. Кольцо из супеси рассыпается на мелкие фрагменты, из суглинка на 2 - 3 части, из глины - кольцо остается целым. Примерно определить, какие у Вас пески, крупные или мелкие, можно рассмотрением частиц песка, много ли песчинок размером больше 1,2-1,5 мм. Если много – то перед Вами средние и крупные пески. Содержание пылевидных и глинистых частиц можно определить, взболтав некоторое количество песка в стакане с водой. Если вода становится сильно замутнённой, то значит пылевидных и глинистых частиц в песке много.

Очень большую роль играет и содержание воды в грунте. Некоторые типы грунтов в условиях повышенной влажности становятся очень сложным вариантом в качестве основания. Пылеватые пески и супеси, насыщенные водой, содержащие в большом количестве очень мелкие частицы (чаще глинистые), которые начинают играть роль смазывающего вещества между крупными частицами грунта. Вследствие наличия этих мелких частиц такие грунты активно вбирают и слабо отдают воду. Уже при небольшом движении жидкости в пласте они переходят в плывунное состояние и легко перемещаются с водой. Фундамент может начать «тонуть» в таком грунте или «уплывать» - смещаться в сторону. Основными способами борьбы с такими явлениями становятся устройство подушек из крупных песков и щебня, а также устройство дренажа для отведения избыточной влаги. Иногда имеет смысл полностью заменить в пределах основания слабый слой насыпным непучинистым грунтом с лучшими характеристиками. 

Хорошим вариантом решения проблемы стабилизации пучинистых грунтов  может быть устройство насыпи из непучинистого грунта и устройство фундамента уже на ней. В этом случае решаются две задачи: поднимается общий уровень придомовой территории (обычно это актуально для таких грунтов) и улучшаются параметры грунта.

Важный фактор, который необходимо учитывать, это уровень подземных вод УПВ относительно "дневной поверхности", т.е. поверхности земли. Определить его можно следующими способами:

1. Узнать, есть ли поблизости колодцы и на какой глубине стоит вода в них. Как место расположения колодца соотносится по высоте с Вашим участком, выше или ниже его? Насколько? Простая арифметика может позволить Вам определить этот УПВ в случае доступности такой информации.
2. При отсутствии колодцев можно уточниться у соседей, если они есть по близости, есть ли у них подвалы, сухо ли там, если есть вода, то когда она появляется и как опять же это соотносится с вашим участком.
3. В конце концов можно просто сделать шурф и/или пробурить скважину садовым или даже рыболовным буром. Подождать 1.5-2 часа и потом проверить деревянной рейкой уровень воды в ней относительно "дневной поверхности". Это и будет УПВ.

При низком УПВ (ниже на 1.5-2 метра глубины промерзания грунта, т.е. 3.0-3.2 метра для Владимирской области относительно "дневной поверхности") даже сильнопучинистые грунты считаются уже средне- и слабопучинистыми. 

Но, низкий УПВ не является гарантией низкой влажности грунта. В определённых случаях капилярный подъём и насыщение влагой грунтов возможен и при низком залегании подземных вод. Кроме этого, существует ещё и сезонная влажность грунтов, величина которой обусловлена ландшафтом, обильностью осадков и коэффициентом фильтрации грунта. Поэтому, важно определить естественную влажность грунтов осенью, перед началом промерзания грунта. 

Более простой, но менее надёжный способ - попробовать сделать из этого грунта подобие "снежка" или скатать шарик. Если шарик рассыпается - это маловлажный грунт, не рассыпается - влажный.

Значительно сложнее разобраться с другими показателями грунтов, такими, как плотность для песчаных, пористость и пластичность для глинистых.

В данном калькуляторе условно тяжелокопающиеся, "тяжёлые" грунты отнесены к плотным (низкая пористость, непластичные), а легкокопающиеся - к средне плотным (пористым, пластичным и текучим).

Кроме этого, любой грунт при увлажнении проседает и уплотняется. В процессе своего существования, грунт, расположенный ниже глубины промерзания, уплотняется до состояния "дальше некуда". В этом состоянии он находится десятками и сотнями лет. В тоже время грунт, расположенный выше глубины промерзания, постоянно насыщается влагой и при сезонном промораживании  увеличивается в объёме. Влага в порах грунта увеличивается в объёме при замерзании на 10%. Таким образом, скелет грунта, находящегося выше глубины промерзания, постоянно встряхивается и становится более пористым. Пористость глинистого грунта ниже глубины залегания не более 0.3, его прочность максимальна, а вот точно такой же грунт, но расположенный выше глубины промерзания, обладает крайне высокой пористостью до 1.1 и низкой несущей способностью.

Т.е. с очень большой долей вероятности супеси и глинистые грунты для НЗЛФ и МЗЛФ без специальных мероприятий по их уплотнению (трамбовки) можно считать средне плотными.

Также, надо учитывать, что для МЗЛФ расчётное сопротивление грунта существенно (почти в 2 раза) отличается от данных, приводимых в Приложении к СП 50.101.2004, т.к. там данные приводятся для фундамента шириной 1 м на глубине 2 метра. В калькуляторе поправочный коэффициент расчётного сопротивления рассчитывается автоматически.

Расчёт основания по деформациям пучения и изгибающему моменту.

В ВСН 29-85 приведена таблица 2, в которой указаны предельные деформации различных типов зданий. Например, «несущая стена здания из кирпича или блоков без армирования», наиболее хрупкий склонный к образованию трещин вариант стены допускает относительную деформацию лишь 0,0005. Это значит, что при длине элемента рамы фундамента в 15 м. допускается всего 7,5 мм абсолютный прогиб (выгиб) такой стены в условиях максимального пучения грунта основания. Исходя из этого условия максимально допустимого для конструкции прогиба (выгиба) рассчитывается влияние сил пучения грунта.

При этом, выделяют пучение незагруженного основания и загруженного. Ясно, что под нагрузкой, образованной зданием, пучение будет ниже, но незначительно, особенно при «лёгких домах». Калькулятор также предлагает справочно оценить возможное пучение незагруженного фундамента при его «зимовке», чтобы принять превентивные меры по недопущению необратимых процессов. 

На способность здания выдерживать деформации морозного пучения также влияет такой параметр, как гибкость (жёсткость). Дело в том, что экономически нерационально изготавливать абсолютно жёсткие фундаменты-рамы. Попытка рассчитать такой абсолютно жёсткий фундамент под реальные нагрузки приведёт к тому, что в этом фундаменте необходимо использовать несколько стержней арматуры диаметром около 30-32 мм. Поэтому, при расчётах допускается изгиб (прогиб) ВСЕЙ системы основание - фундамент - стены - арматурный пояс (если он есть в конструкции), но, в пределах допустимых значений. Жёсткость здания с одной стороны приводит к меньшей чувствительности к относительным деформациям пучения, а с другой стороны говорит о том, что в отдельных элементах конструкции такого здания будут возникать бОльшие, чем в гибких, напряжения и изгибающие моменты. И скорее всего одним из этих элементов будет фундамент, который потребует под такую жёсткость значительно большего армирования.

Характерные ошибки при использовании МЗЛФ.

Типичным заблуждением является такое: чем выше лента МЗЛФ, тем лучше. Однако неоправданное увеличение высоты ленты приводит к значительному увеличению жёсткости и как следствие – необходимости увеличивать армирование. Например, НЗЛФ высотой 40 см под каркасный дом обладает очень значительной гибкостью, поэтому легко «проглотит» значительное пучение основания. Каркасный дом также является относительно гибкой конструкцией, поэтому применение такого гибкого фундамента для данного типа здания является наиболее оправданным вариантом, поскольку позволяет получить сбалансированную в плане гибкости конструкцию, которой не страшна относительно высокая деформация морозного пучения. Если же ленту 40 см заменить лентой высотой 80 см, то мы получим значительно более жёсткий фундамент, который под действием сил морозного пучения с одной стороны, и нагрузки от здания с другой, уже не изогнётся без разрушений, а будет «стоять до последнего», пока не треснет. Увеличив высоту такой ленты, мы своими собственными руками создаём колоссальные моменты в конструкции, которые надо компенсировать увеличением армирования. И такое неоправданное увеличение нагрузок происходит просто «на пустом месте», из-за ошибок в проектировании и желания «сделать повыше».

Если же указанных 40 см высоты фундамента не хватает и необходимо сделать цоколь, то выполнить его можно как в виде кирпичной кладки, так и в виде ещё одной бетонной монолитной ленты, залитой поверх основной и разделённой от первой слоем гидроизоляции. Гидроизоляция в данном случае кроме своей основной функции будет обеспечивать скольжение двух лент относительно друг друга при изгибе. Это будет вариант составной фундаментной ленты, высокой, но без значительной потери гибкости. Армирование дополнительной ленты является желательным, но может быть выполнено в меньшей степени, чем основной.

Глубина заложения малозаглублённых фундаментов.

В ВСН 29-85, а также в других пособиях и руководствах по проектированию малоэтажных зданий с использованием МЗЛФ указаний о выборе глубины заложения фундаментов не приводятся, но отмечается, что независимо от глубины залегания грунтовых вод фундаменты должны устраиваться выше их уровня. В приведённых в Приложении примерах проектных решений фундаменты заглублены на 0,2; 0,4 и 0,6 м. 
И до последнего времени в технической литературе не было информации, как под конкретный объект следует выбирать необходимую глубину заложения. Даже в указанном диапазоне глубин расход бетона существенно отличается и, если относить к фундаменту только заглублённую в грунт конструкцию, то увеличение глубины заложения в 3 раза ведёт в ряде случаев к такому же увеличению расхода бетона. Если же учитывать расход бетона на единый фундамент-цоколь, то увеличение может достигать 30...40%. 

При проектировании фундаментов в каждом конкретном случае необходимо решать задачу оптимизации их заглубления, то есть определить такую глубину, при которой обеспечивается устойчивость при минимальном расходе бетона на их изготовление.

Автор данного Калькулятора при выборе глубины заложения рекомендует в большинстве случаев учитывать следующие факторы:

1. Здание расположено на небольшом склоне и есть необходимость зафиксировать его от смещения путём заглубления в грунт.
2. Есть необходимость компенсировать неровности и перепад высот грунта основания.
3. Необходимо будет выполнить утепление фундамента и отмостки, что практически сложно сделать при заглублении меньше 20 см.
4. Толщина плодородного слоя, если она большая, то логичнее заглубить фундамент таким образом, чтобы толщина песчаной подушки (если она есть) и глубина заложения позволяли "пройти" весь ПРС и опереться на более плотные грунты.
5. Есть риск бокового выпирания грунтов основания (пластичные грунты с высоким сезонным насыщением водой), то заглубление снижает такое выпирание и увеличивает несущую способность грунта.

Автор Калькулятора считает, что в большинстве случаев для решения этих вопросов достаточно заглубления 30-40 см и толщины подушки в 30 см. Большая толщина подушки существенно увеличивает риск её недоуплотнения и неравномерных осадок фундамента, а заглубление свыше 40 см существенно увеличивает возможные касательные силы морозного пучения.

Мероприятия по снижению деформаций морозного пучения.

Другой характерной ошибкой является попытка решать проблему «не с того края» - при сложных и пучинистых грунтах имеет смысл сосредоточиться прежде всего на улучшении характеристик грунта основания, а уже потом на расчёте толщины-ширины ленты и её армировании. 

В таблице 2 приведён перечень мероприятий, взятый из "Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах", которыми можно добиться улучшения характеристик грунта основания. Согласно этому документу, "...рекомендуемые в Руководстве мероприятия могут применяться как для полного исключения деформаций от морозного пучения, так и для частичного их снижения". Поэтому, в Калькуляторе введён коэффициент эффективности мероприятий по снижению пучения, показывающий, насколько ожидается снижение деформаций пучения от их применения. Для количественной оценки значения коэффициента эффективности использовались "Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечения прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог".

Таблица 2. 

* Применяется только для кратковременного снижения пучения в период строительства.

Помните, что не стоит полагаться на один вид мероприятий по снижению деформации, необходимо использовать комплексные меры, особенно в сложных случаях.

Эффективность того или иного мероприятия сильно зависит от следующих факторов:

1. Грунтовых условий, типа грунта, его плотности, уровня грунтовых вод и т.д.
2. Типа преобладающего источника увлажнения

Например:

• Для глинистых грунтов дренаж менее эффективен, чем для песчаных и супесей, поскольку фильтрация этих грунтов намного ниже;
• Уплотнение основания хорошо снижает пучинистость для супесей, но ухудшает фильтрацию для суглинков и глин, снижая эффективность дренажа;
• Если атмосферные осадки являются основным источником увлажнения, то отмостки способны снизить влажность грунта до 100%, но они совершенно не работают для грунтовых вод;
• Уплотнённые грунты обладают лучшей теплопроводностью и снижают эффективность работы утеплителей грунта;
• и т.д.

Калькулятор позволяет оценить общую комплексную эффективность всех мероприятий по снижению пучения. Рекомендуется использовать мероприятия с минимальным запасом 20-30% от необходимого уровня, желательный - 50%. Общий уровень эффективности может превышать 100%, показывая запас мероприятий по полному исключению деформаций морозного пучения.

Более подробное описание решений на основе утепления фундаментов представлено в специальных статьях, которые также можно прочитать в соответствующем разделе.


Рекомендуемый порядок работы в Калькуляторе

Он соответствует порядку проведения расчётов по методике ВСН 29-85 и выглядит следующим образом:

Шаг 1: Выберите предполагаемую схему фундамента из предложенных.
Шаг 2: Выберите основные параметры будущего здания
Сначала задайте предполагаемые размеры фундаментной ленты.
Затем выберите, какой тип фундамента Вам более предпочтителен: мелкозаглублённый МЗЛФ или незаглублённый НЗЛФ. Тип и схема фундамента напрямую зависят от того, какой тип здания Вы хотите. Этот выбор также определяет условия работы фундамента на пучинистых грунтах. Рекомендуем начать подбор фундамента с минимального заглубления (если это возможно) и с толщины подушки 10-20 см. Ещё обращаем внимание, что арматура по умолчанию выбирается 12 мм, а число стержней предварительно устанавливается исходя из процента армирования сечения в 0,1%.
Задайте материалы из предложенных вариантов. Если не нашли Вашего варианта стен, кровли или перекрытий – выберите из наиболее близких по характеристикам. 
Шаг 3: Задайте геологические условия площадки строительства. На практике самый сложный и самый важный этап расчёта.

1. По умолчанию Калькулятор устанавливает один из самых невыгодных с точки зрения несущей способности и морозного пучения вариант – супесь, близкую по свойствам к плывунам. Рекомендуем при отсутствии точных данных о грунтах выбирать заведомо худшие варианты. 
2. Также можно увеличить коэффициент надёжности (запаса) по грунту, если нет чёткой уверенности в типе грунта, его влажности и плотности, уровне подземных вод. По умолчанию данный коэффициент установлен на 1.2, согласно СП 22.13330-2011 п.5.3.18 и рекомендациям Сажина в примерах расчётов в ВСН, но если есть сомнения - лучше перестраховаться и задать более жёсткие требования, чтобы выполнить расчёт с гарантией. 
3. Кроме этого, Вы можете задать будущую эффективность мероприятий по снижению деформации морозного пучения с помощью специального коэффициента в диапазоне от 0 до 100% (коэффициент показывает, на сколько снизится деформация). 
4. Начинать расчёт следует при коэффициенте в 0%, добиться максимального снижения деформации пучения нагрузкой на грунт, подушкой и глубиной заложения, а только потом приступать к противопучинным мероприятиям и установлению коэффициента эффективности.

Шаг 4: Проверка соответствия предельным условиям. На нём остановимся подробнее, особенно на том, что делать, если условия не выполняются:

1. Не выполняется условие по несущей способности грунта основания. Как правило, решается увеличением ширины ленты. В противном случае имеет смысл подумать об использовании другого типа фундамента, например, фундаментной плиты. Или об снижении нагрузки на грунт, путём использования более лёгких материалов для стен и перекрытий.
2. Не выполняется условие 2 по относительной деформации. Выше указывалось, что невыполнение этого условия может привести к образованию трещин и разрывов, особенно в кирпичных и газоблочных и пенобетонных стенах. Невыполение этого условия означает одно: грунт слишком пучинистый для выбранного типа здания. «Лечение» имеет смысл начинать с изменения подушки и глубины заложения. Увеличение глубины заложения приводит к появлению действия касательных сил морозного пучения, которые в данном Калькуляторе не обсчитываются, поэтому глубина заложения ограничена 40 см. Если изменение подушки и глубины заложения не помогает, то надо рассмотреть другие варианты по снижению пучинистости.
3. Не выполняется условие 1 по абсолютной деформации. Методы решения те же, что и для условия 2 (относительная деформация). Кроме этого, на этот параметр оказывает влияние совокупная нагрузка здания, большей массы можно «придавить» пучение и снизить расхождение в условии. Большая абсолютная деформация грунта основания - это знак того, что фундамент будет сильно "гулять" весной при неравномерном оттаивании. Устраняется такое "гуляние" прежде всего стабилизацией грунта, а не усилением фундаментов.  Большое значение абсолютной деформации при выполнении условия по относительной, как правило, не приводит к разрушениям, но может стать причиной крена фундамента и здания, перекоса. Особенно это вероятно при неравномерной нагрузке на фундамент, когда одна часть здания значительно тяжелее другой.
4. Не выполняется условие по изгибающему моменту. Самый простой вариант – увеличение сечения арматуры путём перехода на больший диаметр и/или изменение количества стержней в поясе. Также на величину изгибающего момента и число стержней армирования сильно влияет высота ленты и величина относительного пучения и использованием мероприятий по его снижению. Обратите также внимание на типичные заблуждения, приводимые выше в данной статье.

Шаг 5: Определить вероятную стоимость фундамента.
Обращаем внимание, что калькулятор ориентирован на многоитерационный подход к определению оптимальной конструкции фундамента, это значит, что рекомендуется несколько раз "пройтись" указанным шагам с целью уточнения всех параметров.